JP2011146533A

JP2011146533A - 沸騰式冷却装置

Info

Publication number: JP2011146533A
Application number: JP2010006104A
Authority: JP
Inventors: Jiro Tsuchiya; 次郎土屋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-01-14
Filing date: 2010-01-14
Publication date: 2011-07-28

Abstract

【課題】接合破壊を防止することができる沸騰式冷却装置を提供する。
【解決手段】冷却プレート１６の内部に冷却水を供給し、冷却プレート１６に半田を介して熱的に接続されたパワーデバイス２１を冷却する沸騰式冷却装置１であって、パワーデバイス２１の温度Ｔ_ｆを検出する温度センサ１１と、冷却水の温度Ｔ_{ｗａｔｅｒ}を検出する水温センサ１２と、パワーデバイス２１の温度Ｔ_ｆ及び冷却水の温度Ｔ_{ｗａｔｅｒ}に基づいて、過熱度ΔＴ_ｓａｔを算出し、過熱度ΔＴ_ｓａｔが所定値以上となった場合には、冷却水の流量Ｑ_ｗを増加するコントローラ１０と、を備えることにより、接合部の温度推定を行い冷却水を制御することができるため、接合破壊を防止することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、沸騰式冷却装置に関するものである。

従来、半導体素子の故障を検出するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１記載のシステムは、複数の半導体搭載基板が隣接配置されて構成された半導体モジュールの半田クラック（接合破壊）の有無を検出する故障検知手段を有している。このシステムは、半導体搭載基板と同一平面上に位置するように配置された温度センサを有し、当該温度センサにより検出された温度に基づいて半田クラック（接合破壊）が発生したか否かを判断する。

特開２００３−１３４７９５号公報

しかしながら、特許文献１記載のシステムにあっては、接合破壊が発生したことを判断することはできるが、接合破壊を予防することはできない。そこで、本発明はこのような技術課題を解決するためになされたものであって、接合破壊を防止することができる沸騰式冷却装置を提供することを目的とする。

すなわち本発明に係る沸騰式冷却装置は、放熱部材の内部に冷媒を供給し、前記放熱部材に接合材を介して熱的に接続された半導体素子を冷却する沸騰式冷却装置であって、前記半導体素子の温度を検出する素子温度検出手段と、前記冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段と、前記半導体素子の温度及び前記冷媒の温度に基づいて、過熱度を算出する過熱度算出手段と、前記過熱度が所定値以上となった場合には、前記冷媒の流量を増加する流量制御手段とを備えて構成される。

本発明に係る沸騰式冷却装置では、素子温度検出手段により半導体素子の温度が検出され、冷媒温度検出手段により冷媒の温度が検出され、過熱度算出手段により半導体素子及び冷媒の温度に基づいて過熱度が算出される。そして、流量制御手段により、過熱度が所定値以上となった場合には冷媒の流量が増加される。過熱度は半導体素子と冷媒との間の熱抵抗すなわち接合部の温度に依存するため、過熱度に基づいて冷媒の流量を制御することで接合部の温度に応じて冷媒の流量を制御することができる。このため、接合破壊を防止することが可能となる。

ここで、前記過熱度算出手段は、前記冷媒の流量に応じて前記過熱度を補正することが好適である。このように構成することでより正確に過熱度を算出することができるので、接合破壊をより適切に防止することが可能となる。

また、前記冷媒の流量を所定値以上増加させても前記過熱度が所定値以上である場合には、前記半導体素子の動作を制限する制限手段を備えることが好適である。このように構成することで、核沸騰領域から膜沸騰領域に移行することなく冷却をすることができるので、適切に冷却することが可能となる。

本発明によれば、接合破壊を防止することができる。

実施形態に係る沸騰式冷却装置の構成図である。実施形態に係る沸騰式冷却装置の冷却機構の構成図である。半導体素子の熱伝導率及び厚さの関係を示す表である。一般的な沸騰曲線を示すグラフである。実施形態に係る沸騰式冷却装置の動作を示すフローチャートである。実施形態に係る沸騰式冷却装置の冷却異常時の動作を示すフローチャートである。実施形態に係る沸騰式冷却装置の冷却異常時の他の動作を示すフローチャートである。過熱度の冷却水流量依存性を水温ごとに示すマップである。熱流束のモータ電流依存性を示すマップである。過熱度補正項の冷却水流量依存性を示すマップである。冷却水流量増加量と過熱度増加量との関係を示すマップである。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施形態に係る沸騰式冷却装置は、例えばＳｉＣ等の高温動作するパワーデバイスに冷却水を強制循環させて冷却する装置であって、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＦＷＤ（Free WheelingDiode）又はダイオードによりインバータを構成するパワーモジュールを冷却する際に好適に採用されるものである。このようなパワーモジュールは、例えばハイブリット車両に代表されるモータ駆動の車両システム等に採用されている。

最初に、本実施形態に係る沸騰式冷却装置の概要から説明する。図１は、本実施形態に係る沸騰式冷却装置の構成図、図２は、本実施形態に係る沸騰式冷却装置の冷却機構を示す概要図である。図１に示すように、沸騰式冷却装置１は、パワーモジュール２０と熱的に接続された冷却プレート（放熱部材）１６へ、ラジエータ１４により大気と熱交換した冷却水（冷媒）をポンプ１５により供給し循環させることで、パワーモジュール２０を冷却する沸騰式の冷却装置である。図２に示すように、パワーモジュール２０は、箱状の筐体２５の内部に基板２３及びパワーデバイス（半導体素子）２１を備えている。パワーデバイス２１は、基板２３上に半田２２を介して配置されている。基板２３は、冷却プレート１６上に半田２４を介して配置されている。すなわち、冷却プレート１６上に、半田２４、基板２３、半田２２、パワーデバイス２１の順に配置されている。上記の各層は、熱的に接続されている。すなわち、パワーデバイス２１で発生した熱は、半田２２、基板２３、半田２４を介して冷却プレート１６へ伝導される。冷却プレート１６の内部には空間が設けられており、熱交換する冷却水の水蒸気Ｗを流通可能に構成されている。

また、図１に示すように、沸騰式冷却装置１は、パワーデバイス２１の温度を検出する温度センサ（素子温度検出手段）１１、冷却プレート１６内の冷却水の温度を検出する水温センサ（冷媒温度検出手段）１２、冷却プレート１６へ供給する冷却水の流量を検出する流量センサ１３及びポンプ１５を制御可能なコントローラ（過熱度算出手段、流量制御手段、制限手段）１０を備えている。

温度センサ１１としては、熱電対、サーモカメラ、温度センスダイオード出力等が用いられる。水温センサ１２は、パワーモジュール２０の伝熱面近傍の冷却水温度を代表温度として検出するものであり、例えば熱電対が用いられる。流量センサ１３としては、例えば浮きを用いたものやファラデーの法則を応用した電磁式のものが用いられる。

コントローラ１０は、電子制御するコンピュータであり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random AccessMemory）等のメモリ、及び入出力インターフェイスなどを備えて構成されている。このコントローラ１０は、温度センサ１１、水温センサ１２及び流量センサ１３に接続されており、パワーデバイス２１の温度、冷却水の温度及び流量を入力可能に構成されている。また、コントローラ１０は、温度センサ１１及び水温センサ１２から入力したパワーデバイス２１の温度及び冷却水の温度に基づいて、過熱度を算出する機能を有している。さらに、コントローラ１０は、算出した過熱度が所定値以上である場合には、冷却水の流量に基づいてポンプ１５を制御して冷却水の流量を増加する機能を有している。また、コントローラ１０は、パワーデバイス２１のキャリア周波数又は昇圧の目標電圧を低減する制御を行う機能を有している。

ここで、コントローラ１０が行う過熱度の算出方法の詳細を説明する。過熱度は、過熱蒸気の温度と飽和蒸気の温度(沸騰点)との差である。なお、以下では、説明理解の容易性を考慮して、パワーデバイス２１は、ハイブリット車両に代表されるモータ駆動の車両システム等に採用されているものとし、インバータとして機能するものとする。過熱度は、伝熱面温度Ｔ_ｗａｌｌ（すなわちパワーモジュール２０下主面側に配置されたフィンの根元温度Ｔ_ｆ）及び冷却水の温度Ｔ_{ｗａｔｅｒ}に基づいて算出することができる。

まず、伝熱面温度Ｔ_ｗａｌｌについて説明する。伝熱面温度Ｔ_ｗａｌｌは、パワーデバイス２１の温度をＴ_ｊ、熱流束（発熱密度）［Ｗ／ｍ^２］をｑ、熱伝導率［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］をｋ、距離（厚さ）［ｍ］をＬとすると、以下の式１で表すことができる。

熱流束ｑは、パワーデバイス２１で発生する損失によってもたらされる熱流束を示し、インバータの電流に依存する。インバータの電流は、駆動モータの動作すなわち車両状態に依存する。車両が定常状態（例えば、高速道路の走行等）時には、インバータに流れる電流はほぼ一定となり、発生する損失も一定値となる。よって、ある一定の走行環境においてパワーデバイス２１の温度Ｔ_ｊはインバータの電流値によって一義的に決定することができる。

過熱度ΔＴ_ｓａｔは、式１により求めた伝熱面温度Ｔ_ｗａｌｌ、冷却水の温度Ｔ_{ｗａｔｅｒ}を用いて以下の式２で表すことができる。

δは補正係数であり、詳細は後述する。数式１，２を用いることで過熱度を算出することができる。

ここで、式１及び図３に示すように、伝熱面温度Ｔ_ｗａｌｌは、パワーデバイス２１とその下面側に設けられたフィンとの間の介在物（ここでは基板２３、半田２２，２４）の熱伝導率ｋや厚さＬに依存する。高温で動作させる際には、介在物並びに介在物間の界面の状態が劣化したり、部材が熱変形したりすることにより、熱伝導率ｋが変化したり厚さＬが変化したりする場合がある。熱伝導率ｋ又は厚さＬが変化する場合には、式１に示すように伝熱面温度Ｔ_ｗａｌｌに影響する。このため、高温動作の場合には、伝熱面温度Ｔ_ｗａｌｌが増加することが予測され、水温も僅かに上昇するものと考えられる。すなわち、高温動作の場合には、パワーデバイス２１と冷却水との間の熱抵抗が増加して冷却性能が低下する場合がある。そして、このような場合においては、沸騰特性を考慮しないと冷却性能が大きく低下するおそれがある。図４は、一般的な沸騰曲線を示すグラフであり、横軸が過熱度ΔＴ_ｓａｔ、縦軸が熱伝達率（熱流束ｑ）である。図４に示すように、膜沸騰領域（過熱度Ａ以上の領域）に移行することなく、核沸騰領域Ｔ１（最初の立ち上がりに対応する過熱度から熱流束ｑの極大値に対応する過熱度Ａまでの領域）内になるように制御することにより、最大の冷却性能が得られる範囲で制御することができる。このため、コントローラ１０は、冷却異常が発生していると判定した場合には、パワーデバイス２１の動作を抑制して発熱を抑えることで過熱度の範囲を核沸騰領域Ｔ１に納めるように動作する機能を有している。

次に、本実施形態に係る沸騰式冷却装置１の動作について説明する。図５は、本実施形態に係る沸騰式冷却装置１の動作を示すフローチャートである。図５に示す制御処理は、コントローラ１０により実行され、例えば車両がイグニッションオンされたタイミングから所定の間隔で繰り返し実行される。また、制御処理で用いるカウンタＣＮＴ（冷却異常の判定に用いるカウンタ）は初期値としてＮがセットされているものとする。

図５に示すように、コントローラ１０は、流量センサ１３及び水温センサ１２から冷却水流量Ｑ_ｗ及び冷却水の温度Ｔ_{ｗａｔｅｒ}を読み込む（Ｓ１０）。Ｓ１０の処理が終了すると、コントローラ１０は、モータ電流Ｉ_ｍを読み込む（Ｓ１２）。Ｓ１２の処理が終了すると、コントローラ１０は、温度センサ１１からパワーデバイス２１の温度Ｔ_ｊを読み込む（Ｓ１４）。

Ｓ１４の処理が終了すると、コントローラ１０は、過熱度ΔＴ_ｓａｔの理論値を算出する（Ｓ１６）。Ｓ１６の処理では、コントローラ１０が、例えば予め冷却水の温度Ｔ_{ｗａｔｅｒ}ごとに算出された理論的な過熱度ΔＴ_{ｓａｔ_ｓ}の冷却水流量Ｑ_ｗ依存性を示すマップ、及びＳ１０の処理で読み込んだ冷却水の温度Ｔ_{ｗａｔｅｒ}及び冷却水流量Ｑ_ｗを用いて、理論的な過熱度ΔＴ_{ｓａｔ_ｓ}を算出する。図８は、冷却水の温度Ｔ_{ｗａｔｅｒ}ごとの理論的な過熱度ΔＴ_{ｓａｔ_ｓ}の冷却水流量Ｑ_ｗ依存性を示すマップの一例であり、縦軸が理論的な過熱度ΔＴ_{ｓａｔ_ｓ}、横軸が冷却水流量Ｑ_ｗである。コントローラ１０は、例えばＳ１０の処理で読み込んだ冷却水の温度Ｔ_{ｗａｔｅｒ}がＡ１であり、冷却水流量Ｑ_ｗがＸであるとすると、図８に示すマップから過熱度ΔＴ_{ｓａｔ_ｓ}をＹと算出する。Ｓ１６の処理が終了すると、過熱度ΔＴ_ｓａｔ算出処理へ移行する（Ｓ１８）。

Ｓ１８の処理では、コントローラ１０が、Ｓ１２の処理で読み込んだモータ電流Ｉ_ｍに基づいて熱流束ｑを算出する。図９は、熱流束ｑのモータ電流Ｉ_ｍ依存性を示すマップであり、縦軸が熱流束ｑ、横軸がモータ電流Ｉ_ｍである。コントローラ１０は、例えば図９に示すマップを用いて熱流束ｑを算出する。そして、算出した熱流束ｑ、Ｓ１０の処理で読み込んだ冷却水の温度Ｔ_{ｗａｔｅｒ}及びＳ１４の処理で読み込んだパワーデバイス２１の温度Ｔ_ｊを式１，２に当てはめて実際の過熱度ΔＴ_ｓａｔを算出する。ここで、式２のδは冷却水流量Ｑ_ｗに応じて設けられた補正係数であり、例えば図１０に示すマップを用いて算出される。図１０は、補正係数δの冷却水流量Ｑ_ｗ依存性を示すマップであり、縦軸が補正係数δ、横軸が冷却水流量Ｑ_ｗである。コントローラ１０が実測値の過熱度ΔＴ_ｓａｔを算出すると、差分α算出処理へ移行する（Ｓ２０）。

Ｓ２０の処理では、コントローラ１０が、Ｓ１６の処理で算出した理論的な過熱度ΔＴ_{ｓａｔ_ｓ}と、Ｓ１８の処理で算出した実測値の過熱度ΔＴ_ｓａｔとの差分を算出する。Ｓ２０の処理が終了すると、冷却異常判定処理へ移行する（Ｓ２２）。

Ｓ２２の処理では、コントローラ１０が、冷却異常が発生しているか否かを判定する。この判定は、冷却異常フラグＦ_ｅｒｒが１であるか否かによって判定される。なお、冷却異常フラグの初期値は０であり、後述する処理で更新される。Ｓ２２の処理において、冷却異常が発生していないと判定した場合には、差分判定処理へ移行する（Ｓ２４）。

Ｓ２４の処理では、コントローラ１０が、Ｓ２０の処理で算出した差分αが所定の値α（ｔｈ）以上であるか否かを判定する。閾値α（ｔｈ）は例えば予め定められた定数であって、差分αが理論値と実測値との許容される差を超えているか否かを判定するために設定されたものである。Ｓ２４の処理において、Ｓ２０の処理で算出した差分αが所定の値α（ｔｈ）以上でないと判定した場合には、差分αが理論値と実測値との許容される差を超えていないので、図５に示す制御処理を終了する。一方、Ｓ２４の処理において、Ｓ２０の処理で算出した差分αが所定の値α（ｔｈ）以上であると判定した場合には、過熱度の理論値と実測値との差が大きいため冷却性能が低下しているので、冷却水流量Ｑ_ｗを増加する処理へ移行する（Ｓ２６）。

Ｓ２６の処理では、コントローラ１０が、ポンプ１５を制御して冷却水流量Ｑ_ｗをΔＱだけ増加させて冷却性能を増加させる。例えば、コントローラ１０は、図１１に示すマップを用いて冷却水流量Ｑ_ｗの増加量ΔＱを算出する。図１１は、冷却水流量Ｑ_ｗの増加量ΔＱと過熱度の増加量との関係を示すマップである。コントローラ１０は、図１１に示すマップを参照し、Ｓ２０の処理で算出した差分αが大きいほど、すなわち過熱度の増加量が大きいほど冷却水流量Ｑ_ｗの増加量ΔＱを大きくする。Ｓ２６の処理が終了すると、カウントダウン処理へ移行する（Ｓ２８）。

Ｓ２８の処理では、コントローラ１０が、カウンタＣＮＴの値をデクリメントする。Ｓ２８の処理が終了すると、カウンタ判定処理へ移行する（Ｓ３０）。

Ｓ３０の処理では、コントローラ１０が、カウンタＣＮＴの値が０か否かを判定する。カウンタＣＮＴの値が０でなければ、図５に示す制御処理を終了する。一方、カウンタＣＮＴの値が０である場合には、冷却能力をこれ以上向上させても過熱度が下がらないため異常冷却であるとみなし、冷却異常フラグＦ_ｅｒｒを０から１にセットする。Ｓ３０の処理が終了すると、図５に示す制御処理を終了する。

一方、Ｓ２２の処理において、冷却異常が発生していると判定した場合、すなわち、冷却異常フラグＦ_ｅｒｒが１の場合には、冷却異常処理へ移行する（Ｓ３４）。冷却異常処理の詳細を図６に示す。まず、コントローラ１０は、パワーデバイス２１のキャリア周波数を所定値低減する（Ｓ３６）。これにより、インバータの損失を低減して発熱を抑制し、核沸騰領域から膜沸騰領域への移行を防止する。

そして、コントローラ１０は、低減後のキャリア周波数が予め定められた下限値であるか否かを判定する（Ｓ３８）。Ｓ３８の処理において、低減後のキャリア周波数が予め定められた下限値である場合には、これ以上発熱を抑制することができないので、冷却異常である旨を出力して図６に示す冷却異常処理を終了する。

一方、Ｓ３８の処理において、低減後のキャリア周波数が予め定められた下限値でない場合には、Ｓ２４の処理と同様に、Ｓ２０の処理で算出した差分αが所定の値α（ｔｈ）以上であるか否かを判定する（Ｓ４０）。Ｓ４０の処理において、Ｓ２０の処理で算出した差分αが所定の値α（ｔｈ）以上でないと判定した場合には、差分αが理論値と実測値との許容される差を超えていないので、キャリア周波数の低減により冷却異常は回避されたものとして、冷却異常フラグを０にリセットし（Ｓ４２）、図６に示す冷却異常処理を終了する。一方、Ｓ４０の処理において、Ｓ２０の処理で算出した差分αが所定の値α（ｔｈ）以上であると判定した場合には、キャリア周波数を低減しても冷却異常は回避されていないと判定し、冷却異常フラグを０にリセットすることなく図６に示す冷却異常処理を終了する。図６に示す冷却異常処理が終了すると、図５のＳ３４の処理に戻り、図５の制御処理を終了する。

以上で図５，６に示す制御処理を終了する。図５，６に示す制御処理を実行することにより、パワーデバイス２１と冷却プレート１６との熱伝導経路において、高温動作によって発生する熱抵抗異常が過熱度から判断され、熱抵抗異常が発生している場合には、冷却能力が増加されるので、早いタイミングで異常を検出・回避することができる。また、冷却異常を検出した場合には、パワーデバイス２１から発生する熱量を低減させ、その低減効果が過熱度で評価される。このため、核沸騰領域から膜沸騰領域へ移行することを回避することができる。このように、高温動作環境において、作動中に発生した化合物や空隙によりパワーデバイス２１と冷却水との間の熱抵抗（介在物の熱伝導率等）が増加し、冷却性能が劣化した場合であっても、過熱により素子故障を招くことなく異常を検出し回避することが可能となる。

上述のように、本実施形態に係る沸騰式冷却装置１によれば、温度センサ１１によりパワーデバイス２１の温度Ｔ_ｆが検出され、水温センサ１２により冷却水の温度Ｔ_{ｗａｔｅｒ}が検出され、コントローラ１０によりパワーデバイス２１の温度Ｔ_ｆ及び冷却水の温度Ｔ_{ｗａｔｅｒ}に基づいて過熱度ΔＴ_ｓａｔが算出される。そして、コントローラ１０により、過熱度ΔＴ_ｓａｔが所定値以上となった場合には冷却水の流量Ｑ_ｗが増加される。過熱度ΔＴ_ｓａｔはパワーデバイス２１と冷却水との間の熱抵抗すなわち接合部の温度Ｔ_ｗａｌｌに依存するため、過熱度ΔＴ_ｓａｔに基づいて冷却水の流量Ｑ_ｗを制御することで接合部の温度Ｔ_ｗａｌｌに応じて冷却水の流量Ｑ_ｗを制御することができる。このため、接合破壊を防止することが可能となる。

また、本実施形態に係る沸騰式冷却装置１によれば、コントローラ１０により、冷却水の流量Ｑ_ｗを所定値以上増加させても過熱度ΔＴ_ｓａｔが所定値以上である場合には、パワーデバイス２１の動作を制限されるので、核沸騰領域から膜沸騰領域に移行することなく冷却をすることができる。

なお、上述した実施形態は本発明に係る沸騰式冷却装置の一例を示すものである。本発明に係る沸騰式冷却装置は、実施形態に係る沸騰式冷却装置１に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で、実施形態に係る沸騰式冷却装置を変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

例えば、上述した実施形態では、パワーデバイス２１の発熱量をキャリア周波数で制御する例を説明したが、これに限られるものではなく、例えば、昇圧回路の目標電圧を低減する場合であってもよい。図７は、冷却異常処理の他の例を示すフローチャートである。図７に示すように、キャリア周波数でなく昇圧回路の目標電圧を低減し（Ｓ４６）、昇圧回路の目標電圧が下限値であるか否かを判定する（Ｓ４８）。なお、Ｓ５０〜Ｓ５４の処理は図６のＳ４０〜Ｓ４４の処理と同様である。このように動作させた場合であっても核沸騰領域から膜沸騰領域へ移行することを回避することができる。

また、上述した実施形態では、コントローラ１０が制限手段として機能する例を説明したが、制限手段は要求される性能に応じて適宜備えればよい。また、上述した実施形態では流量センサ１３を備える例を説明したが、流量センサ１３の検出結果を用いずにポンプ１５を制御してもよい。すなわち、流量センサ１３は必要に応じて設ければよい。

１…沸騰式冷却装置、１０…コントローラ（過熱度算出手段、流量制御手段、制限手段）、１１…温度センサ（素子温度検出手段）、１２…水温センサ（冷媒温度検出手段）、１６…冷却プレート（放熱部材）、２１…パワーデバイス（半導体素子）。

Claims

放熱部材の内部に冷媒を供給し、前記放熱部材に接合材を介して熱的に接続された半導体素子を冷却する沸騰式冷却装置であって、
前記半導体素子の温度を検出する素子温度検出手段と、
前記冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段と、
前記半導体素子の温度及び前記冷媒の温度に基づいて、過熱度を算出する過熱度算出手段と、
前記過熱度が所定値以上となった場合には、前記冷媒の流量を増加する流量制御手段と、
を備えることを特徴とする沸騰式冷却装置。
前記過熱度算出手段は、前記冷媒の流量に応じて前記過熱度を補正する請求項１に記載の沸騰式冷却装置。
前記冷媒の流量を所定値以上増加させても前記過熱度が所定値以上である場合には、前記半導体素子の動作を制限する制限手段を備える請求項１又は２に記載の沸騰式冷却装置。